Etter flere tiår er et sentralt fysikkresultat klart: Antimaterie faller samme vei som vanlig materie.

– Dette spørsmålet er nå besvart, sier Antoine Yves Marie Charles Camper til forskning.no. Han er forsker i fysikk ved Universitet i Oslo, og han jobber med et antimaterie-eksperiment ved CERN kalt AEGIS. 

– Det er veldig viktig resultat for hele fagfeltet. Det er et enormt resultat, sier han om den nylig publiserte forskningen fra et stort, internasjonalt samarbeid som heter ALPHA -eksperimentet. 

Camper er ikke involvert i den nylig publiserte forskningen, men han jobber med det samme fagfeltet gjennom AEGIS-samarbeidet. 

Om antimaterie faller oppover eller nedover, er et helt seriøst og sentralt spørsmål, som denne artikkelen i magasinet IEEE-spectrum fra 2013 nevner. Det sier noe om grunnleggende ideer om hvordan universet fungerer. 

Den nye forskningsartikkelen i tidsskriftet Nature viser altså at tyngdekraften påvirker antimaterie - i dette tilfellet antihydrogen - på tilsynelatende lik måte som vanlig materie. 

Men hvorfor er det viktig?

I nesten hundre år har fysikere vært klare over at antimaterie både bør eksistere og at det faktisk finnes. Dette er en slags speilvendt variant av den vanlige materien som finnes rundt oss. 

En motsatt partner

Alle partikler som finnes har en partner med motsatt elektrisk ladning. Et elektron har negativ elektrisk ladning, men det finnes også et anti-elektron: positive elektroner. Disse kalles positroner, og forskere målte disse partiklene for første gang i 1932. Oppdagelsen ga fysikeren Carl Anderson Nobelprisen i 1936. 

Antimaterie oppstår blant annet i svært små mengder når kosmiske stråler treffer jordas atmosfære. Men når antimaterie og vanlig materie møtes, opphører begge deler å eksistere og energien frigis i et glimt av lyspartikler, forteller partikkelfysiker Nikolaj Zinner i denne saken om antimaterie på forskning.no.

Dette gjør det også svært vanskelig å håndtere antimaterie, men CERN-forskerne har blitt gode på dette gjennom flere tiår med eksperimenter. 

Nøytroner og protoner har også antimaterie-partnere. På det store fysikklaboratoriet CERN i Sveits har forskerne bygget opp den såkalte antimaterie-fabrikken som har vært aktiv siden år 2000. Her har de satt opp maskiner og instrumenter som produserer ørsmå mengder antipartikler som kan brukes til forskjellige eksperimenter. 

Et av disse eksperimentene heter altså ALPHA, som står for Antihydrogen Laser Physics Apparatus. 

Her lager de antihydrogen, som er antimaterie-varianten av vanlig hydrogen. Hydrogen består av et elektron og et proton, mens antihydrogen er laget av antipartikler: et antiproton og et positron. 

Og CERN-forskerne ser altså på hvordan antihydrogen påvirkes av tyngdekraften. 

Disse to atomene har nemlig samme masse. Og her er det helt sentrale: Noen av de grunnleggende prinsippene i Einsteins relativitetsteori er at all masse blir påvirket likt av tyngdekraften, uavhengig av hva som utgjør den massen. Derfor bør det ikke ha noe å si om det er antimaterie eller vanlig materie - det bør falle likt. 

Og i lang tid har forskere prøvd å besvare akkurat dette spørsmålet. Noen teoretiske modeller har nemlig pekt på muligheten for at antimaterie kanskje frastøtes av vanlig masse. Hvis det hadde vært sånn, ville ikke antimaterie blitt trukket mot jorden som alt annet rundt oss. Det ville ha rast oppover, ut av jordens gravitasjonsfelt. 

Denne ideen kan for eksempel være med  på å forklare mysteriene rundt mørk energi, for eksempel ifølge denne CERN-forskningsartikkelen fra 2012.

Men de aller fleste forskere har antatt at antimaterie faller som vanlig materie og nå har altså fysikerne fått en bekreftelse på dette. Dette fallet følger Einsteins teorier. 

– Hvis antihydrogen ikke hadde falt som vanlig hydrogen, så hadde det brutt flere sentrale prinsipper, sier Camper til forskning.no. 

Det er fortsatt mer for forskerne å finne ut her, men først. Hvordan måler de at antihydrogen-atomene faller? 

Den ekstremt svake tyngdekraften

Det første antihydrogenatomet ble laget ved CERN i 1995, men det har tatt mange år med teknologisk utvikling av eksperimenter før de har klart å gjennomføre pålitelige målinger av antimaterie som påvirkes av tyngdekraft. 

– Den gangen kunne du ikke gjøre noe med disse atomene, sier Camper til forskning.no. 

Han understreker hvor imponerende han synes det er at teknikken og eksperimentene har blitt så gode at man både kan produsere, håndtere, slippe og måle antihydrogenatomer. 

Det som gjør det svært vanskelig å måle hvordan antihydrogenatomer faller, henger blant annet sammen med at tyngdekraften er ekstremt svak, spesielt sammenlignet med elektriske ladninger som trekker i ladede atomer. 

Du kan også kjenne hvor svak tyngdekraften er bare ved å hoppe. Det lille hoppet motvirker hele jordens tyngdekraft. Som de sier i denne saken på nettstedet space.com: Hvis tyngdekraften hadde vært en milliard ganger sterkere, ville den fortsatt vært den svakeste blant de fundamentale naturkreftene. 

Dermed er det også svært vanskelig å isolere effekten av tyngdekraft. Det var svært viktig at de gjorde forsøket med et elektrisk nøytralt atom, som antihydrogen har vist seg å være, ifølge CERN.  Dermed blir atomet svært lite påvirket av elektriske felt. 

Eksperimentet går ut på å samle mange antihydrogenatomer i en magnetisk felle i et maskin kalt ALPHA-g. Når atomene slippes, kan forskerne måle hvor de opphører å eksistere svært kort tid etter at de slippes ut. 

I dette eksperimentet viser forskerne at de har isolert effekten av tyngdekraften, og resultatet viser at de fleste antihydrogenatomene beveger seg nedover enn oppover. Dette er like resultater som vanlig hydrogen som testes i maskinen.

Du kan se hvordan eksperimentet grovt sett fungerer i videoen under. 

Høyere presisjon

Nå gjenstår det å undersøke dette fenomenet med større presisjon, forteller  Camper til forskning.no.

Camper forteller at forskerne nå tar sikte på å måle dette fallet med mye høyere presisjon. Denne presisjonen trengs for å se om det er noe avvik sammenlignet med hvordan vanlige materie faller og akselerer.

Referanse:

Hangst mfl: Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter. NAture, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06527-1. Sammendrag